"밤낮없이 태양빛 쏜다"… 미·중·영·일, '우주 태양광' 각축전

지구상의 기상 조건과 밤낮의 한계를 뛰어넘어 우주 궤도에서 24시간 끊임없이 태양광을 수집해 지구로 쏘아 보내는 '우주 기반 태양광 발전(SBSP·Space-Based Solar Power)' 패권을 차지하기 위해 미국, 중국, 영국, 일본 등 주요 우주 강국과 글로벌 빅테크 기업들이 전례 없는 기술경쟁에 돌입했다.

인공지능(AI) 붐으로 인해 기하급수적으로 폭증하는 하이퍼스케일 데이터센터의 전력난을 해결할 궁극의 친환경 대안으로 부상하면서, 일론 머스크의 스페이스X(SpaceX)와 메타(Meta) 등 실리콘밸리 거인들까지 앞다퉈 우주 전력망 선점에 뛰어들고 있다.

그러나 8만t에 달하는 초대형 구조물의 우주 발사 비용과 궤도상 조립의 복잡성, 지상 수신 시설(렉테나) 구축 등 상용화까지 넘어야 할 기술적·경제적 장벽도 여전히 만만치 않다는 지적이다.

11월 9일(현지시각) 글로벌 에너지 전문 미디어 오일프라이스(Oilprice.com)에 따르면, 지구 표면에 도달하는 태양 복사열의 약 30%가 대기와 구름에 흡수되거나 반사되어 손실되는 지상 태양광의 근본적 한계를 극복하기 위해 우주 궤도에 대형 발전 위성을 띄우는 국가 주도 프로젝트들이 급물살을 타고 있다.

우주 기반 태양광 발전은 지구 표면에서 3만 5,000km 상공인 정지궤도(GEO)에 수 킬로미터 크기의 거대한 태양광 패널과 마이크로파 송신 안테나를 배치하는 방식으로 구동된다.

우주 궤도에서는 태양빛이 24시간 365일 차단 없이 쏟아지기 때문에 지상 대비 단위 면적당 수배에서 수십 배에 달하는 에너지를 안정적으로 생산할 수 있다.

생산된 전력은 긴 파장의 고주파 마이크로파나 근적외선 레이저 빔 형태로 변환되어 지구 표면의 거대한 수신 안테나(렉테나)로 쏘아 보내진다.

마이크로파 빔은 두꺼운 구름과 폭풍우를 손실 없이 통과할 수 있으며, 지상 전송 강도를 한낮 햇빛 수준으로 안전하게 제어하면 항공기나 조류 생태계에 전자기적 간섭을 일으키지 않는다.

기존의 지상 고압 송전선망을 길게 깔지 않고도 도서 산간이나 재난 지역, 고립된 군사 기지 등에 즉각 수 기가와트(GW)급 청정 전력을 무선으로 내려보낼 수 있다는 점이 최대 강점이다.

특히 전력 공급 부족에 직면한 미국 AI 빅테크 진영이 민간 차원의 상용화를 강력히 견인하고 있다.

일론 머스크가 이끄는 스페이스X는 초대형 AI 데이터센터 구동을 위한 SBSP 전력 생산 목적으로 최대 100만 기 규모의 차세대 저궤도 태양광 위성 군집 을 발사하겠다는 승인 신청서를 미국 연방통신위원회(FCC)에 전격 제출했다.

스페이스X는 문건을 통해 "우주 공간의 연속적인 태양광 발전을 활용해 운영 비용을 최소화하고 지상 전력망의 탄소 배출을 획기적으로 낮추는 파괴적인 에너지 효율을 달성할 것"이라고 밝혔다.

페이스북 모기업 메타(Meta) 역시 지난 4월 미국 에너지 스타트업 '오버뷰 에너지(Overview Energy)'와 손잡고 2030년까지 우주 SBSP 위성군으로부터 1GW급 청정 전력을 공급받는 장기 계약 을 체결했다.

오버뷰 에너지는 특허받은 근적외선 레이저 빔 기술을 통해 궤도에서 지상의 메타 전용 태양광 발전소 패널로 직접 전력을 쏴 주·야간 중단 없는 AI 연산 전력을 공급할 계획이다.

앞서 2024년 미국 스타트업 스타 캐처(Star Catcher)는 플로리다 미식축구 경기장에서 태양광 집광 렌즈를 이용해 105m 거리에서 100W 출력의 빛을 무선 빔으로 전송하는 실증에 성공하며 상용화 가능성에 불을 지폈다.


국가 대항전도 치열하다.

영국은 정부 지원 아래 우주 에너지 기업 '스페이스 솔라(Space Solar)'를 중심으로 폭 1.8km, 무게 수만 톤에 달하는 모듈형 우주 발전 구조물 '카시오페이아(Cassiopeia)' 프로젝트를 추진 중이다.

수백만 개의 테이블 크기 위성 셀을 로봇을 이용해 우주 공간에서 자동 조립한 뒤, 런던 히드로 공항 규모의 지상 수신국으로 전파를 보내 전기로 변환한다는 구상으로, 향후 수년 내 궤도 실증 임무를 앞두고 있다.

중국은 시안 전자과기대 등을 주축으로 한 '주리(Zhuri·追日) 프로젝트'를 통해 마이크로파 무선 전력 전송 분야에서 가장 앞선 기술적 성과를 과시하고 있다.

중국 연구팀은 이미 지상 기반 75m 높이의 타워형 시험 설비에서 이동하는 목표물을 대상으로 한 '1 대 다(多)' 무선 전력 빔 제어 및 추적 시스템을 독자 개발해 세계 최고 수준의 정밀 송전 효율을 입증했다.

일본 역시 우주항공연구개발기구(JAXA)를 중심으로 '오히사마(Ohisama)' 프로젝트를 가동해 저궤도 소형 위성을 통한 지상 전력 전송 시험을 목전에 두고 있다.


장밋빛 전망에도 불구하고, 전력 상용화까지는 천문학적인 비용 문제가 최대 걸림돌로 꼽힌다.

우주에 수 GW급 발전소를 구축하려면 수만에서 수십만 톤의 자재를 궤도로 쏘아 올려야 하는데, 발사체 재사용 기술이 고도화되고 있음에도 불구하고 킬로그램(kg)당 운송비용은 여전히 천문학적인 수준이다.

지상 태양광과 배터리 저장장치(ESS) 기술이 빠르게 저렴해지는 상황에서, 우주 발전이 킬로와트시(kWh)당 균등화발전비용(LCOE) 경쟁력을 확보할 수 있을지 미지수라는 비판론도 팽배하다.

우주 쓰레기 충돌 위험과 궤도상 유지보수 로봇 기술의 완성도 역시 풀어야 할 숙제다.

글로벌 우주 항공 전문가들은 "우주 태양광 발전은 지상 에너지 인프라의 토지 잠식과 간헐성 문제를 단번에 해결할 게임체인저이지만, 완벽한 경제성을 입증하기까지는 2030년대 중반에서 2040년대에 이르는 장기적 시험대를 거쳐야 할 것"이라며 "스타십과 같은 초대형 재사용 발사체 혁신과 무선 송전 효율이 결합하는 시점에 글로벌 청정에너지 지형이 지상에서 우주로 완전히 이동할 것"이라고 분석했다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com